Τι είναι το Clock Gating;

Η ταχύτητα ρολογιού είναι σημαντική για την απόδοση της CPU. Τουλάχιστον, αυτό θα ήθελε να σκεφτείτε το τμήμα μάρκετινγκ σε εταιρείες που σχεδιάζουν και πωλούν CPU. Φυσικά, υπάρχουν πολλοί άλλοι παράγοντες και η στάθμιση όλων εξαρτάται από την περίπτωση χρήσης σας. Ένα βιντεοπαιχνίδι με ελαφριά κλωστή συνήθως επωφελείται από έναν γρήγορο πυρήνα φωτισμού, που υποστηρίζεται από μερικούς πιο αργούς πυρήνες. Ένας υπολογιστής απόδοσης συνήθως επωφελείται από όσο το δυνατόν περισσότερους πυρήνες και ενώ το ταχύτερο είναι καλύτερο, περισσότεροι πυρήνες είναι ακόμη καλύτεροι. Σε φορητά περιβάλλοντα η απόδοση είναι σημαντική, αλλά η απόδοση ισχύος είναι πρωταρχικής σημασίας, ειδικά όταν δεν απαιτείται κορυφαία απόδοση.

Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοση σε όλα αυτά τα σενάρια, αλλά ένας σταθερός παράγοντας είναι το ρολόι. Στην CPU το σήμα ρολογιού καθορίζει πότε συμβαίνουν τα πράγματα. Ένας ταχύτερος ρυθμός χρονισμού σημαίνει περισσότερες λειτουργίες σε μια δεδομένη ώρα. Αυτό ακούγεται υπέροχο, σίγουρα θέλετε απλώς να χτυπάει όσο το δυνατόν πιο γρήγορα, σωστά; Οχι τόσο γρήγορα. Πρώτον, κάθε τικ του ρολογιού προκαλεί έναν παλμό ισχύος. Αυτή η δύναμη πρέπει να προέρχεται από κάπου. Έχει επίσης ως αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας, η οποία στη συνέχεια πρέπει να διαχέεται. Δεύτερον, είναι πραγματικά πολύ δύσκολο να διασφαλιστεί ότι όλα παραμένουν σωστά συγχρονισμένα και γίνεται πιο δύσκολο όσο πιο γρήγορα χτυπάει το ρολόι.

Διαχείριση ενέργειας και θερμότητας

Υπάρχουν δύο κύριες χρήσεις της ηλεκτρικής ενέργειας. Το πρώτο είναι το σταθερό ρεύμα ενός συστήματος που είναι ενεργοποιημένο. Το δεύτερο είναι το κύμα από ένα σύστημα που είναι ενεργοποιημένο. Η κύρια πηγή χρήσης ενέργειας σε μια CPU οφείλεται στην συνεχή ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των κυκλωμάτων. Το σήμα ρολογιού οδηγεί αυτή τη μεταγωγή. Επίσης, από μόνο του, συνεισφέρει ένα μη τετριμμένο ποσό αυτής της χρήσης ενέργειας.

Το θέμα είναι ότι ορισμένα κομμάτια υλικού σε μια CPU δεν χρειάζονται σε κάθε κύκλο της CPU. Στους περισσότερους κύκλους ρολογιού, για παράδειγμα, δεν απαιτείται ατομικός καταχωρητής. Ως εκ τούτου, η αποστολή ενός σήματος ρολογιού και η γρήγορη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του απλώς σπαταλάει ενέργεια, χωρίς κανένα κέρδος. Το Clock Gating είναι η τεχνική που εμποδίζει το σήμα ρολογιού να φτάσει σε περιοχές της CPU που δεν χρειάζονται για τον συγκεκριμένο κύκλο ρολογιού.

Το υλικό για την πύλη ρολογιού πρέπει να τοποθετηθεί στη διαδρομή του σήματος του ρολογιού προς κάθε στοιχείο λειτουργικότητας που μπορεί να θέλετε να απομακρυνθείτε από το ρολόι. Όπου απαιτούνται πάντα και αποκλειστικά πολλά κομμάτια λειτουργικότητας μαζί, μπορεί να είναι δυνατή η τοποθέτηση τους πίσω από την ίδια πύλη ρολογιού. Απενεργοποιώντας το σήμα του ρολογιού πίσω από την πύλη, μπορεί να αφαιρεθεί η κύρια πηγή κατανάλωσης ενέργειας. Αυτό μπορεί να συμβάλει στη σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική για συσκευές που τροφοδοτούνται με μπαταρία.

Σημείωση: Η ίδια η πύλη του ρολογιού καταναλώνει ενέργεια, επομένως είναι σημαντικό να διασφαλίσετε ότι χρησιμοποιείται μόνο εκεί όπου θα εξοικονομήσει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει.

Το απόλυτο όριο ταχύτητας

Αναφέραμε προηγουμένως ότι γίνεται πιο δύσκολος ο συγχρονισμός των γρήγορων ρολογιών. Δυστυχώς, αυτός είναι ένας σκληρός και γρήγορος κανόνας που επιβάλλεται από τη βασική φυσική. Η ταχύτερη ταχύτητα με την οποία μπορεί να ταξιδέψει οτιδήποτε είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Αυτό είναι περίπου τριακόσια εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο (ή 670.600.000 μίλια την ώρα) που είναι πραγματικά γρήγορο. Ένα άλλο πράγμα που είναι πολύ γρήγορο είναι η ταχύτητα ρολογιού στις σύγχρονες CPU. Τα 5,7 GHz ή 5,7 δισεκατομμύρια τικ ανά δευτερόλεπτο μεταφράζονται σε ένα τικ ρολογιού κάθε 175 picoseconds, ή 0,175 νανοδευτερόλεπτα. Όταν συνδυάζονται, μπορείτε να υπολογίσετε πόσο μακριά μπορεί να ταξιδέψει το φως στο χρονικό πλαίσιο ενός μεμονωμένου χτυπήματος του ρολογιού. Είναι 55 mm ή 2,1 ίντσες.

Τώρα οι υπολογιστές δεν λειτουργούν με φωτόνια, τουλάχιστον δεν το κάνουν ακόμα, αν και η φωτονική είναι ένα προοδευτικό πεδίο. Οι υπολογιστές λειτουργούν με ηλεκτρόνια που κινούνται πιο αργά. Επίσης, δεν υπάρχει ούτε μία ευθεία γραμμή για να ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια και υπάρχουν πολλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα που εμποδίζουν. Καθένα από αυτά καθυστερεί τη διάδοση του σήματος. Για το σκοπό αυτό, το σήμα ρολογιού πρέπει να εισαχθεί σε μια CPU σε πολλά διαφορετικά σημεία για να συγχρονιστεί πραγματικά σωστά σε όλο το αντικείμενο.

Όπως αναφέρθηκε, τα παρεμβατικά ηλεκτρονικά επιβραδύνουν τη διάδοση του σήματος ρολογιού. Αυτό ισχύει ακόμη και για τις πύλες ρολογιού. Ως εκ τούτου, κατά τη σχεδίαση της CPU, είναι σημαντικό να το λάβετε υπόψη. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε ακριβώς τι επίδραση μπορεί να έχει αυτό στο συνολικό σχήμα του σήματος του ρολογιού. Ένα ελαφρώς καθυστερημένο πρόσθιο άκρο μπορεί να συνδυαστεί με μια σωστά ευθυγραμμισμένη πτώση με αποτέλεσμα μικρότερη περίοδο ρολογιού και δυνητικά ατελείς λειτουργίες.

συμπέρασμα

Η πύλη ρολογιού είναι ένα εξάρτημα κυκλώματος που χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό του επεξεργαστή. Αποτρέπει ή επιτρέπει στο συγχρονιζόμενο σήμα ρολογιού να φτάσει σε ένα ή περισσότερα περαιτέρω στοιχεία. Αυτό ουσιαστικά λειτουργεί ως διακόπτης. Ο κύριος σκοπός είναι να εξοικονομήσετε ενέργεια με το να μην ξοδεύετε ρεύμα ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας κυκλώματα που δεν υποτίθεται ότι κάνουν τίποτα. Αποτρέπει επίσης αυτή την ενέργεια από το να μετατραπεί σε θερμότητα. Αυτό αφήνει περισσότερο προϋπολογισμό θερμότητας και ενέργειας για άλλα εξαρτήματα του επεξεργαστή που χρησιμοποιούνται. Εναλλακτικά, μειώνει το συνολικό φορτίο του συστήματος στο σύστημα ισχύος και ψύξης. Ο σχεδιασμός του συστήματος πρέπει να λαμβάνει υπόψη την καθυστέρηση που θέτει οποιαδήποτε εξαρτήματα, ακόμη και ένας διακόπτης, σε ένα τόσο αυστηρά χρονισμένο σήμα ρολογιού. Πρέπει επίσης να ληφθεί μέριμνα για να διασφαλιστεί ότι το άνοιγμα της πύλης δεν στέλνει ένα μικρότερο σήμα ρολογιού εάν το σήμα του ρολογιού είναι ήδη ψηλά καθώς ανοίγει η πύλη.